復合材料變厚度端框整體成型工藝研究

張婭婷 付平俊 曹 勇 石永富 張志林

（航天材料及工藝研究所，北京 100076）

碳環氧復合材料具有比強度大、比模量高、耐疲勞等優點，通常用其代替飛行器上常用的結構材料鋁合金，質量可以減輕30%～40%。蜂窩夾層結構具有突出的高比剛度和比強度，而且平整度高，不容易變形，可設計性強，能大幅度提高結構效率、減輕結構質量、增加有效載荷，滿足各種形式及承載的需求。運載火箭的衛星支架處于火箭的上面級，其結構質量直接影響發射目標的有效質量。我國長三甲系列火箭用衛星支架采用碳面板/鋁蜂窩夾層結構形式，采用整體固化的內面板與后端框、分瓣固化的外面板，與鋁蜂窩夾芯、金屬前端框實現整體組裝共固化。

衛星支架內、外面板采用溶液法預浸料生產，樹脂含量波動范圍大、預浸料單層厚度精度差、貯存期短、含揮發性溶劑，成型過程影響因素多且復雜，尤其是1mm厚度的內面板與1.0mm～7.0mm的變厚度端框整體固化，工藝參數難以精確控制，不可避免地產生氣孔、疏松缺陷，影響最終制品的質量。

該文以衛星支架內面板為研究對象，研究了熱熔法預浸料代替溶液法預浸料應用于復合材料變厚度端框的整體成型工藝。

1 試驗

1.1 原材料

MT300/602預浸料，熱熔法制備，航天材料及工藝研究所，樹脂含量為34wt%；工藝輔助材料，市售。

1.2 模具方案

衛星支架內面板主體采用陽模成型，變厚度端框采用六瓣陰模進行分瓣加壓。

1.3 工藝流程

衛星支架內面板成型的工藝流程如圖1所示。

圖1 內面板成型工藝流程

衛星支架內面板成型過程要經過預浸料下料、變厚度端框鋪層、內面板鋪層、變厚度端框套裝、預壓實等工序，然后在熱壓罐中加熱加壓固化。

1.4 無損檢測

衛星支架內面板的無損探傷檢測方法執行標準DqES219-88，儀器：超聲波探傷儀，USIP-12。

2 結果與討論

2.1 熱熔法預浸料的特性及穩定性分析

與溶液法預浸料相比，熱熔法預浸料的含膠量可以精確控制，可達±3%以內，制備過程不含溶劑，揮發份含量低，二者的特點對比見表1。

表1 預浸料特點對比

對比可以看出，熱熔法預浸料的揮發份含量降低，纖維及樹脂含量控制精確，制備效率提高，同時也減少了溶劑的污染。

衛星支架內面板一直采用溶液法預浸料生產，溶液法預浸料制備過程中使用大量揮發性溶劑，預浸料的揮發分含量高，厚度較大時，內部小分子揮發物在厚度方向上難以隨樹脂流動有效排出，導致變厚度端框很容易出現氣孔、疏松甚至分層缺陷，總缺陷面積超出設計要求，近年生產的內面板合格率僅為70%。而且，溶液法（濕法）預浸料存在制備效率低、樹脂含量波動范圍大、預浸料單層厚度精度差、貯存期短、揮發性溶劑帶來的安全風險等缺點，導致產品生產周期長、質量不穩定、尺寸精度差等問題。因此，采用熱熔法預浸料代替溶液法預浸料來生產內面板，可以有效減少缺陷，提高生產效率。

2.2 熱熔法預浸料典型鋪層板力學性能分析

復合材料單向板的力學性能是表征碳纖維復合材料性能的重要指標之一，采用14層單層厚度為0.15 mm的MT300/602熱熔法預浸料鋪制0°單向板，固化后未發現缺陷，表明鋪層板成型質量良好。單向板的纖維體積含量控制在60±5%。對0°拉伸、壓縮、彎曲及層剪性能進行測試，并與T300/648溶液法預浸料單向板常溫力學性能進行對比，見表2。

表2 單向板性能對比

由表2可以看出，MT300/602熱熔法單向板的0°拉伸、壓縮、彎曲、層剪性能均高于溶液法單向板的相應性能，拉伸、壓縮、彎曲強度分別提高了9.1%、26%和4.7%，離散系數普遍降低，材料的力學性能和穩定性均有所提高。同時，MT300/602熱熔法單向板的層間剪切強度明顯提高，表明MT300碳纖維與602熱熔法樹脂的界面結合較好，熱熔法工藝使纖維浸漬更加充分。

溶液法預浸料采用手工裁切，而熱熔法預浸料采用自動下料機裁切，后者角度準確性及穩定性明顯優于前者，在一定程度上提高了復合材料力學性能；溶液法樹脂溶液黏度低，流動性優于熱熔法，更易導致纖維歪斜，表面平整度不佳，也會對其力學性能造成一定影響，熱熔法預浸料內纖維的取向度提高，纖維在預浸料中的分布也較前者更均勻，提高了MT300碳纖維的承載效率。

復合材料產品的力學性能通過隨爐板性能來間接反映。隨爐鋪層板的材料體系、鋪層順序、固化制度均與產品相同，因此，隨爐鋪層板的力學性能可作為檢驗產品性能的重要依據。

根據衛星支架內面板蒙皮的鋪層順序和目前適用的熱熔法預浸料的厚度，優選了以下兩種鋪層方式。P1：蒙皮鋪層方式[C/02/C/02/C]，名義厚度1.20mm；P2：蒙皮鋪層方式[C/0/C/0/C/0/C]，名義厚度1.25mm。

采用2個批次MT300/602熱熔法預浸料制備了P1和P2兩種鋪層方式的典型鋪層板，對其壓縮、彎曲、層間剪切性能進行了測試，并與10個批次T300/648溶液法預浸料制備的衛星支架隨爐試樣性能進行對比，見表3。

表3 典型鋪層板性能對比

P1和P2兩種典型鋪層板固化后表面光滑平整，經無損探傷，均無缺陷。與T300/648溶液法鋪層板的性能相比，MT300602 熱熔法預浸料制備的相應鋪層板力學性能均有不同程度的提高，力學性能提高主要是由于602熱熔法樹脂對MT300碳纖維浸漬性好，界面結合強度高，預浸料表面平整，質量一致性好，鋪貼工藝性優異，自動下料機裁切角度準確，有利于鋪層角度的準確性及其一致性，使熱熔法預浸料鋪層板的綜合力學性能明顯高于溶液法制備的預浸料。MT300/602熱熔法預浸料制備的P1和P2兩種鋪層板力學性能相當，可以滿足產品要求，P1鋪層板的性能比P2更優。

采用MT300/602熱熔法預浸料鋪制的P1、P2衛星支架典型鋪層板，制作典型蜂窩夾層板，標記為P1、P2衛星支架典型蜂窩夾層板，對其平壓、側壓、彎曲、雙壓剪性能進行了測試，并與溶液法預浸料制備的蜂窩夾層板性能進行對比，見表4。

表4 典型蜂窩夾層板性能對比

P1和P2兩種典型蜂窩夾層板固化后表面光滑平整，經無損探傷，均無脫黏缺陷。由表4可以看出，MT300/602熱熔法預浸料制備的P1和P2蜂窩夾層板力學性能相當，均能滿足產品要求。

與傳統的溶液法預浸料相比，MT300/602熱熔法預浸料制作的單向板、衛星支架典型鋪層板、典型蜂窩板的力學性能均有不同程度的提升，應用于復合材料構件生產可以提升產品質量，提高產品生產效率，優選P1鋪層進行生產。

2.3 復合材料變厚度端框的整體成型工藝優化

衛星支架內面板蒙皮厚度僅為1mm，與7mm L型的變厚度端框共固化成型，采用陽模成型，變厚度端框的根部容易出現氣孔缺陷，決定缺陷形成過程的工藝變化主要是熱量傳遞、樹脂固化、樹脂流動和纖維密實，因此加壓時機、加壓模具和固化溫度、壓力都是影響產品質量的重要因素。

衛星支架內面板成型模具的主要組成部分如下。用于內面板整體的主體陽模和用于變厚度端框成型的分瓣陰模，其中，陰模分六瓣，保證能對變厚度端框表面均勻傳遞壓力，并承受固化時溫度、壓力所產生的應力。模具應充分考慮復合材料與模具之間的熱膨脹系數差，一般鋁模具的熱膨脹系數取24×10，碳纖維復合材料縱向熱膨脹系數取3×10，橫向熱膨脹系數取6×10。

衛星支架內面板鋪層分為變厚度端框鋪層和內面板蒙皮的鋪層。

變厚度端框分為連續區和非連續區，要進行2次鋪層。在原有的鋪層設計基礎上，將變厚度端框原43層溶液法預浸料優化為54層熱熔法預浸料，重新分配鋪層角度及下料寬度，精確計算鋪層厚度，將變厚度端框使用的預壓實六瓣陰模的工作面尺寸進行直徑方向2mm的微調，保證與鋪層型面的貼合。

根據鋪層設計的角度和寬度進行變厚度端框的鋪層，預浸料鋪制時應盡量保證貼實，趕出層間帶入的空氣，每鋪1～2層使用電熨斗熨實，保證變厚度端框的均勻過渡，并監控吸膠預壓實前、后的厚度及過渡情況，適當調整鋪層數。

每完成部分鋪層須進行一次熱壓實，預壓實過程在熱壓罐內進行，需要采用一定的整型模具，可采用1mm的分瓣薄鋁板，吸膠材料可采用濾紙或其他材料。

變厚度端框鋪層完畢，開始鋪制內面板蒙皮，蒙皮中的碳布均為單層鋪放，要求對接鋪制，搭接縫必須錯開，鋪至下端框拐角附近時需對碳布做開口處理，0°無緯布要求對接鋪制，每塊碳布的中心線及無緯布0°纖維方向與主體陽模母線方向一致。

內面板蒙皮鋪層完畢后，將預壓實后的變厚度端框套裝至內面板蒙皮上，用壓環、分瓣陰模和弓形夾對變厚度端框進行均勻加壓，通過壓環上的螺栓進行加壓。擰緊壓環螺釘及弓形夾時要對稱協調加壓，要同時保證下端框壓實及過渡區壓實：壓力保持1h～2h，間隔30min要對螺栓進行再擰緊。可視壓實情況，將分瓣陰模更換位置后再加壓。

壓實完畢，對變厚度端框的翻邊進行裁剪修邊，與模具齊平，變厚度區域根據壓實情況進行適當的補料。

工藝設計如下。1）在典型鋪層板的工藝摸索中，優化了預壓實的溫度、壓力及固化溫度、加壓點、保溫時間、固化壓力等工藝參數；變厚度端框由于厚度影響，樹脂的固化反應放熱會比較明顯，固化過程導致溫度場不均勻，外加壓力減少，纖維含量會降低，外層纖維的密實程度降低，則滲透度較大，使內層的樹脂更容易通過外層流出，有利于沿厚度方向纖維分布的均勻。為了更好地控制纖維密實程度，在保證變厚度端框內氣孔可以排出的前提下，要盡可能選擇小的外加壓力；優化后的預壓實溫度為70 ℃，壓力為0.1 MPa，保溫時間40 min。優化后的固化溫度130 ℃，固化壓力0.6 MPa，保溫時間120min。2）樹脂軟化點、吸膠溫度、吸膠壓力及吸膠時間都會直接影響吸膠料的硬度、樹脂預固化度等，進而影響固化加壓時壓力的傳遞、樹脂的黏度以及加壓時樹脂流出量等，因此要監控壓實過程的吸膠量，及時作出吸膠材料用量的調整。3）內面板包覆方式一般為全包狀態，典型包覆方式：在內面板鋪層外表面依次包覆聚四氟乙烯玻璃漆布、吸膠材料、無孔隔離膜或玻璃紙、分瓣陰模、透氣氈以及尼龍薄膜。其中，聚四氟乙烯玻璃漆布從變厚度端框的過渡區根部分成兩段，分別對內面板錐面和端框翻邊部分熨實，必要的部位適當開口。固化時吸膠材料一般采用濾紙，以對接的方式用膠帶固定。4）六瓣陰模要根據順序編號，固定放置位置，每兩瓣陰模之間間隙要均勻，并用彈簧鋼片擋住間隙。為控制并保證內面板下端框的壓實余量，在六瓣陰模下面要均勻加墊整圈一定厚度的墊片。分瓣陰模的上部要固定一圈彈簧鋼片，以免內蒙皮被壓出褶皺。5）模具翻邊有棱角處要包覆3～4層透氣氈，然后安裝真空嘴、至少2根熱電偶。密封后，接通真空裝置，然后在熱壓罐內固化。

2.4 復合材料變厚度端框的成型質量

衛星支架內面板固化后，外觀成型質量良好，表面光滑平整，變厚度端框圓滑過渡，拐角處無余膠，內面板的主要厚度尺寸見表5。

表5 內面板厚度尺寸及缺陷對比

由表5可以看出，內面板成型后蒙皮厚度及加強區尺寸控制更加精準，尺寸波動范圍小，無損檢測后發現缺陷面積僅為920 mm，占整個變厚度端框面積的0.09%，氣孔缺陷主要集中在變厚度端框根部，缺陷遠遠小于溶液法預浸料制備的內面板。

用熱熔法預浸料代替溶液法預浸料生產衛星支架內面板，采用優化后的工藝參數和精細設計的工藝方案，可以有效減少變厚度端框的缺陷，排出多余的空氣和小分子物質，提高衛星支架內面板的內部質量。

該衛星支架內面板與蜂芯、前端框、外面板組裝后，經機加裝配的成品衛星支架，順利通過解鎖分離試驗考核。

3 結論

結論如下。1）MT300/602熱熔法單向板各項力學性能數據普遍提高，離散系數普遍降低，材料的力學性能和穩定性均有所提高，表明MT300碳纖維與602熱熔法樹脂的界面結合較好。2）與傳統的溶液法預浸料相比，MT300/602熱熔法衛星支架典型鋪層板和蜂窩夾層板的力學性能數據普遍提升，可以應用于衛星支架的生產。3）采用優化后的工藝參數和精細設計的工藝方案，可以有效減少變厚度端框的氣孔缺陷，提高產品的內部質量。